Neuer Lesekopf für Quantencomputer

Fehler als Speicher: In Diamant eingeschlossene Stickstoffatome lassen sich als Speichereinheiten für Quantencomputer nutzen. Solche Fehlstellen ließen sich bisher jedoch nur mit Hilfe von Lasern manipulieren und waren nicht elektronisch lesbar. Ein internationales Forscherteam hat dieses Problem nun überwunden: Mit Hilfe des Nanomaterials Graphen lassen sich die vielversprechenden Speicher auch elektronisch auslesen, berichten die Wissenschaftler im Magazin „Nature Nanotechnology“. Extrem hohe Taktraten für zukünftige Computer rücken damit einen großen Schritt näher.

Ein idealer Diamant besteht aus reinem Kohlenstoff – in der Natur sind darin jedoch auch immer kleine Verunreinigungen zu finden. Viele solcher Fehler geben Diamanten eine besondere Farbe. Am besten untersucht sind sogenannte Doppelfehlstellen im Kristallgitter des Diamanten, bei denen ein Kohlenstoff-Atom durch Stickstoff ersetzt ist. Außerdem befindet sich neben dem Stickstoff eine Leerstelle, eine Art Loch im Kristallgitter. Solche Doppelfehlstellen lassen sich als hochempfindliche Sensoren einsetzten, und auch als Informationsspeicher für Quantencomputer sind sie nutzbar. Bisher gab es allerdings keinen Weg, die optisch kodierte Information elektrisch wieder auszulesen.

Stickstoff-Fehler und zwei Kohlenstoff-Formen

Ein Team unter Leitung Alexander Holleitner von der Technischen Universität München hat nun eine solche Auslesemöglichkeit geschaffen. Die Wissenschaftler nutzen dazu neben dem Diamant eine weitere Form des Kohlenstoffs: Graphen. Denn wie sie feststellten, lässt sich Energie von den Fehlstellen im Diamant direkt auf eine unmittelbar benachbarte Schicht aus dem zweidimensionalen Material Graphen übertragen.

Dazu bestrahlten die Forscher Diamanten mit einer Größe von rund 100 Nanometern mit Laser-Licht. Dabei hebt ein Licht-Photon ein Elektron im Zentrum einer Stickstoff-Fehlstelle von seinem Normalzustand in einen angeregten Zustand. Dabei trennt sich die Ladung des Elektrons vorübergehend von dem hinterlassenen Loch im Gitter. „Das System aus dem angeregten Elektron und dem verlassenen Grundzustand kann man als Dipol auffassen“, erklärt Holleitner. „Dieser Dipol erzeugt in der nahegelegenen Graphenschicht wieder einen Dipol aus einem Elektron und einer Leerstelle.“

Laboraufbau zum Vermessen der Wechselwirkungen zwischen Graphen und Nanodiamanten mit eingebauten Stickstoff-Fehlstellen-Zentren. © Astrid Eckert / TUM

Diamant ist kein elektrischer Leiter, daher sind die einzelnen Fehlstellen-Zentren in den Nanodiamanten voneinander isoliert. Im Graphen ist das anders – es leitet elektrischen Strom sogar hervorragend. Mit Hilfe zweier Gold-Elektroden können die Wissenschaftler die vom Dipol erzeugte Ladung erfassen und elektronisch messen. Das Besondere dabei: Bisher ließ sich dieser Prozess der „strahlungslosen Energieübertragung“ nicht kontrollieren und messen. Holleitner und Kollegen können nun jedoch auch den Spin des Stickstoffatoms bestimmen, welcher Quantencomputern als Speichereinheit dienen könnte.

Auf die Geschwindigkeit kommt es an

Wesentlich für diesen Versuchsaufbau ist, dass die Messung extrem schnell geschieht: Nach nur wenigen Milliardstel-Sekunden verschwindet das erzeugte Paar aus Elektron und hinterlassenem Loch bereits wieder. Die neu entwickelte Methode der Physiker um Holleitner ist jedoch mehr als schnell genug – sie erlaubt sogar Messungen im Bereich von Billionstel-Sekunden. Damit lassen sich die Vorgänge im Graphen und damit im Diamant genau verfolgen. Eingebaut in einen zukünftigen Quantencomputer könnte diese extreme Schaltgeschwindigkeit hohe Taktraten bis in den Terahertz-Bereich ermöglichen.

Und nicht nur Stickstoff-Fehlstellen dürften sich mit der Methode vermessen lassen, sondern möglicherweise auch andere, natürlich vorkommende Fehler: „Prinzipiell müsste unsere Technik auch mit Farbstoffmolekülen funktionieren“, sagt Erstautor Andreas Brenneis von der TU München. „Ein Diamant enthält rund 500 solcher Fehlstellen, aber die Methode ist so empfindlich, dass wir auch einzelne Farbstoffmoleküle messen könnten.“ (Nature Nanotechnology, 2014; doi: 10.1038/nnano.2014.276)

(Technische Universität München, 02.12.2014 – AKR)